Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniera

Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

Perfiles delgados 1. 2. 3. 4. 5. Introducción Usos de perfiles delgados Comportamiento Diseño Conexiones CONTENIDO

1. Introducción DEFINICION Se denomina “perfiles delgados” a aquellos perfiles formados por plegado de planchas de acero a temperatura ambiente en una sección que resiste más carga que la plancha de acero.

1. Introducción TIPOS DE ACERO Recomendable usar aceros: • Galvanizables • Fy = 280~350 MPa s • eu ≥ 10% F • Fu/Fy ≥ 1. 1 F F Ejemplos: u yd x y – ASTM A 36, A 500, A 572, A 607, A 611, A 653, A 792 E Rango plástico Rango elástico e eu

1. Introducción • Laminado en frío FABRICACION PROCESOS

1. Introducción • Plegado FABRICACION PROCESOS

1. Introducción • Conformado en prensa FABRICACION PROCESOS

1. Introducción FABRICACION EFECTOS • Aumento de Fy • Disminución de ductilidad • Aumento de Fu s Strain aging x Dependen de: – – Radio de plegado Espesor de plancha Tipo de acero Proceso de fabricación Fu Fyd Fys x E Después de formado en frío Rango plástico Rango elástico e eu

1. Introducción • • VENTAJAS Optimización de secciones Buena resistencia a la corrosión Buena apariencia Adecuada aislación térmica y acústica Métodos de fijación simples Alta relación resistencia/peso Permite prefabricación

1. Introducción • Elementos lineales PRODUCTOS TIPICOS

1. Introducción • Elementos planos PRODUCTOS TIPICOS

2. Usos de perfiles delgados Cubierta de techo Losa mixta ELEMENTOS PLANOS Cubierta de piso Cubierta de muro

2. Usos de perfiles delgados • Edificios industriales ELEMENTOS LINEALES

2. Usos de perfiles delgados • Viviendas (steel framing) ELEMENTOS LINEALES

2. Usos de perfiles delgados • Estanterías ELEMENTOS LINEALES

3. Comportamiento CARACTERISTICAS PARTICULARES • b/t relativamente altas. • Partes de secciones sin rigidizar o incompletamente empotradas. • Uno o ningún eje de simetría. • Imperfecciones geométricas ≥ t. • Imperfecciones estructurales inducidas por fabricación.

3. Comportamiento • • CONSIDERACIONES DE DISEÑO Pandeo local y resistencia post-pandeo. Pandeo por torsión y por flexión. Pandeo local y estabilidad general. Efectos de tensiones residuales variables sobre la sección. Efecto de cargas concentradas Conexiones Corrosión Capacidad de deformación inelástica

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo local s – Tensión elástica de pandeo: w t s donde k: constante que depende de tipo de tensión y condiciones de apoyo. m: módulo de Poisson.

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo local k=4 k = 23. 9 k = 6. 97 k = 7. 81 k = 0. 425~0. 675 k = 0. 57 k = 1. 247 k = 5. 35~9. 35 Apoyo simple Empotramiento

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Resistencia post-pandeo: a) Elementos atiesados b) Elementos no atiesados

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo local y resistencia post-pandeo

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Resistencia post-pandeo: – Ancho efectivo (Von Karman, 1932): • Compresión uniforme • Placa atiesada • Sin imperfecciones Placa falla cuando s bef /2 t Entonces s w

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Resistencia post-pandeo – Ancho efectivo • Efecto de imperfecciones (Winter, 1947): – Elementos atiesados => (AISI) – Elementos no atiesados

3. Comportamiento • Resistencia post-pandeo – Ancho efectivo • Gradiente de tensiones: – Elementos atiesados – Elementos no atiesados CONSIDERACIONES DE DISEÑO

3. Comportamiento • Resistencia post-pandeo – Ancho efectivo • Efecto de atiesadores: CONSIDERACIONES DE DISEÑO

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo por torsión y por flexión (elástico) a) Carga axial b) Flexión

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo por torsión y por flexión (elástico) – Carga axial: encontrar A 1, A 2 y A 3 tales que donde

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo por torsión y por flexión (elástico) – Carga axial: resolver • 1 eje de simetría (eje x: y 0 = 0)

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo por torsión y por flexión (elástico) – Carga axial: • Doble simetría o simetría puntual (x 0, y 0 = 0)

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo local y estabilidad general – Pandeo distorsional a) Carga axial b) Flexión

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Pandeo local y estabilidad general – Sección efectiva a) Carga axial b) Flexión

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Efectos de tensiones residuales variables sobre la sección AISI:

3. Comportamiento • Efecto de cargas concentradas CONSIDERACIONES DE DISEÑO

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Conexiones – Soldadas: • Diferencias significativas en espesor de partes. • Uso de soldaduras en esquinas curvas. • Falla del material base, por lo general. – Apernadas: • Controladas por aplastamiento. – Atornilladas: • Tornillo autoperforante es lo más común. • Controladas por arrancamiento del tornillo o rotura del material base.

3. Comportamiento CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Corrosión – Depende del tipo de tratamiento protector (galvanizado, pintura). – Aplicado a plancha antes de formado. • Capacidad de deformación inelástica – Muy limitada por proceso de formado

4. Diseño DISPOSICIONES DE DISEÑO Especificación AISI 2001: “North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”, AISI/COS/NASPEC 2001. • Métodos de diseño Qu ≤ Rn (LRFD) ó Q ≤ Rn/W (ASD) donde: Q = Acción de diseño Qu = Acción de diseño mayorada Rn = Resistencia nominal = Factor de reducción de resistencia W = Factor de seguridad

4. Diseño • Diseño controlado por – Fluencia de la sección bruta. – Fractura de la sección neta lejos de la conexión. – Fractura en la conexión TRACCION

4. Diseño TRACCION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia de la sección bruta fc = 0. 90 (LRFD) Wc = 1. 67 (ASD) • Fractura lejos de la conexión fc = 0. 75 (LRFD) Wc = 2. 00 (ASD) Ag: área bruta, An: área neta

4. Diseño COMPRESION • Diseño controlado por – Pandeo local y resistencia post-pandeo de los elementos de la sección (atiesados y no atiesados). – Pandeo global en flexión, torsión o flexotorsión del miembro.

4. Diseño • Elementos atiesados – Compresión uniforme COMPRESION ANCHO EFECTIVO

4. Diseño • Elementos atiesados – Efecto de atiesadores • w/t ≤ 0. 328 S: • w/t > 0. 328 S: COMPRESION ANCHO EFECTIVO

4. Diseño • Elementos atiesados – Efecto de atiesadores COMPRESION ANCHO EFECTIVO

4. Diseño COMPRESION ANCHO EFECTIVO • Elementos atiesados – Gradiente de tensiones (f 1 compresión, f 2 tracción) • h 0/b 0 ≤ 4: • h 0/b 0 > 4:

4. Diseño COMPRESION ANCHO EFECTIVO • Elementos atiesados – Gradiente de tensiones (f 1, f 2 compresión)

4. Diseño • Elementos no atiesados – Compresión uniforme – Gradiente de tensiones COMPRESION ANCHO EFECTIVO

4. Diseño fc = 0. 85 (LRFD) Ae: área efectiva – Pandeo Elástico – Pandeo Inelástico COMPRESION RESISTENCIA NOMINAL Wc = 1. 80 (ASD)

4. Diseño COMPRESION RESISTENCIA NOMINAL • Tensión de pandeo elástico – Secciones con doble simetría y simetría puntual

4. Diseño COMPRESION RESISTENCIA NOMINAL • Tensión de pandeo elástico – Secciones con monosimetría – Secciones asimétricas: determinar Fe de análisis o ensayos.

4. Diseño FLEXION • Diseño controlado por – Fluencia en flexión de la sección. – Pandeo global en flexo-torsión (volcamiento) del miembro. – Pandeo local y resistencia post-pandeo de los elementos de la sección (atiesados y no atiesados). – Fluencia y/o pandeo del alma bajo corte. – Aplastamiento del alma.

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia en flexión de la sección – Secciones con alas comprimidas atiesadas fb = 0. 95 (LRFD) Wb = 1. 67 (ASD) – Secciones con alas comprimidas no atiesadas fb = 0. 90 (LRFD) Wb = 1. 67 (ASD) – Basada en la primera fluencia donde Se: módulo elástico de sección efectiva

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia en flexión de la sección – Basada en la reserva de capacidad inelástica donde Cy: factor de deformación de compresión

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia en flexión de la sección – Basada en la reserva de capacidad inelástica • Factor de deformación de compresión – Elementos atiesados solo en los bordes Cy 3 2 1 0 l 1 l 2 w/t – Elementos no atiesados y elementos atiesados con atiesadores múltiples

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia en flexión de la sección – Basada en la reserva de capacidad inelástica Aplicable si • • • Torsión y volcamiento restringidos Fy sin efecto de formado en frío wc/t ≤ l 1 V/(wt) ≤ 0. 35 Fy (ASD) ó 0. 60 Fy (LRFD) Inclinación almas ≤ 30º

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Volcamiento – Secciones abiertas con doble o mono simetría y simetría puntual fb = 0. 90 (LRFD) Wb = 1. 67 (ASD) donde Sc: módulo elástico respecto de la fibra extrema comprimida a Fc

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Volcamiento – Secciones abiertas con doble o mono simetría y simetría puntual

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Volcamiento – Secciones abiertas con doble o mono simetría y simetría puntual • Flexión en torno al eje de simetría • Flexión perpendicular al eje de simetría

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Volcamiento – Secciones abiertas con doble o mono simetría y simetría puntual

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Secciones cerradas – Lb ≤ Lu: resistencia de la sección – Lb > Lu: volcamiento con

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Fluencia y/o pandeo del alma bajo corte fv = 0. 95 (LRFD) Wv = 1. 60 (ASD)

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Aplastamiento del alma fw, Ww , C, Ch, CN, CR variables según el elemento

4. Diseño FLEXION RESISTENCIA NOMINAL • Aplastamiento del alma+flexión – Elementos con un alma – Elementos con múltiples almas

4. Diseño ESFUERZOS COMBINADOS FLEXION Y CORTE • Vigas no reforzadas • Vigas con atiesadores y cumplir además donde Mno: resistencia por fluencia de la sección

4. Diseño ESFUERZOS COMBINADOS FLEXION Y ESFUERZO AXIAL • Flexión y Tracción y • Flexión y Compresión y Con traslación Sin traslación

5. Conexiones TIPOS DE UNIONES • Uniones conectores mecánicos – Uniones apernadas – Uniones atornilladas – Uniones remachadas • Uniones soldadas – Soldadura al arco – Soldadura por resistencia

5. Conexiones • Tornillos CONECTORES MECÁNICOS

5. Conexiones • Remaches CONECTORES MECÁNICOS

5. Conexiones • Tipos de falla (corte) CONECTORES MECÁNICOS

5. Conexiones • Tipos de falla (tracción) CONECTORES MECÁNICOS

5. Conexiones • Tipos de falla CONECTORES MECÁNICOS

5. Conexiones • Soldadura al arco – SMAW (Shielded Metal Arc Welding) – GMAW (Gas Metal Arc Welding) – FCAW (Flux Core Arc Welding) – SAW (Submerged Arc Welding) SOLDADURA

5. Conexiones • Soldadura por resistencia eléctrica SOLDADURA

5. Conexiones • Tipos de falla (corte) SOLDADURA